SEMICONDUCTORES

 

Introducción

Los semiconductores son uno de los adelantos técnológicos que más relevancia han tenido en este siglo principalmente por haber permitido un desarrollo extremo de la electrónica general. Su antecesor, el tubo termoiónico o válvula de vacío es un dispositivo caro, grande, frágil, lento y que requiere un consumo de potencia no despreciable sólo para hacerlo funcionar. Con él nunca se hubiesen podido alcanzar niveles que a día de hoy nos parecen de lo más normal como integrar decenas de millones de transistores en el tamaño de una uña, y esto se debe al bajo precio, reducido tamaño y bajo consumo que permite la tecnología de los semiconductores.

No vamos a hacer una lista con las aplicaciones que ha permitido desarrollar, porque sería eterno y no podría calificarse cada adelanto en su justa medida, en su lugar vamos a hablar de porqué este artículo.

En el diseño electrónico siempre existen fenómenos que alejan a los componentes de su comportamiento teórico, se suelen denominar efectos parásitos y no es posible sacar el máximo partido de un diseño sin conocerlos. Incluso en el campo digital, la implementación está sujeta a fenómenos analógicos que si no se tienen en cuenta impedirán un correcto funcionamiento.

Conocer los mecanismos físicos de los semiconductores y su construcción interna permite comprender porqué suceden las cosas, y estas cosas pueden ser fenómenos de segundo orden, como la no linealidad de la capacidad parásita, o de vital importancia como la tensión de ruptura en inversa de un diodo. Permite saber qué componente será el óptimo en cada caso, porque no es lo mismo usar un mosfet que un BJT en un circuito de bajo ruido. También permite comprender qué variación supondrán fenómenos externos como temperatura, radiación, luz... en ellos.

Muchas de las presunciones que se usan en diseño están sujetas a simplificaciones que permiten entender partes del funcionamiento pero que dan una idea errónea del comportamiento real, como por ejemplo que la corriente de puerta de un JFET es despreciable. Para llegar a un alto nivel se deben tener en cuenta todos los parámetros y sus condicionamientos externos, porque esta corriente de puerta presuntamente despreciable puede causar que un circuito de precisión dé medidas erróneas a medida que cambia la temperatura.

Desgraciadamente las explicaciones no son sencillas, aunque la intención sea facilitar la compresión de los fenómenos en lugar de poner fórmulas que no va a usar. Muchas de las causas sólo tienen sentido cuando se examinan los semiconductores a nivel atómico, como porqué les afecta la temperatura, porqué se hacen de un material y no de otro...

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Teoría de funcionamiento.

Niveles energéticos

Las bandas energéticas de un átomo marcan los lugares donde es posible que se encuentren los electrones. Las bandas más próximas al átomo se llaman bandas de valencia y en ellas los átomos están fuertemente ligados al núcleo por fuerzas eléctricas. En el exterior la fuerza eléctrica es menor y además se tiene la repulsión eléctrica de los electrones de la capa de valencia, por lo que en esta banda los electrónes están débilmente ligados al átomo. Esta capa se denomina capa de conducción. En medio puede existir una banda denominada de energía prohibida, donde si hubiese un electrón inebitablemente caería a la capa de valencia (en caso de estar incompleta) o sería expulsado a la capa de conducción.

En los conductores, especialmente en los metales, no existe capa de energía prohibida, por lo que es necesaria muy poca energía para liberar un electrón de la capa de valencia y que sea expulsado a la capa de condución. En un semiconductor y en un aislante si que existen, pero es menor en un semiconductor.

Un semiconductor es una estructura cristalina con enlaces covalentes, muy estables, y que en un principio no poseen ningún electrón en las banda energética de conducción.

Nos referiremos únicamente a silicio y germanio, tetravalentes y que forman enlaces dobles con los átomos de su entorno como se puede ver en el gráfico de la derecha.

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Semiconductores intrínsecos

Al tipo de semiconductores mencionado anteriormente se le denomina semiconductor intrínseco, porque sólo posee un tipo de átomos que están en equilibrio eléctrico.

En los semiconductores intrínsecos, cuando se aumenta la temperatura la vibración de las partículas puede romper los enlaces covalentes y los electrones pueden adquirir suficiente energía como para escapar de los enlaces covalentes y convertirse en un electrónes libres, para abandonar la capa de valencia y situarse en la capa de conducción. Es decir, que térmicamente pueden generarse electrones y las ausencias de electrones en la capa de valencia, denominados huecos.

Recordamos que la corriente consiste en el movimiento de los electrones, y que si éstos están fuertemente ligados al átomo no será posible que exista conducción. Debe requerirse poca energía para mover los electrones y esta condición se cumple en la capa de conducción. Por otro lado, si en la estructura cristalina de enlaces covalentes hay déficit de electrones, o exceso de huecos, los electrones con energía, aunque no sea suficiente para escapar a la capa de conducción, pueden pasar a otro enlace, dando lugar así a la circulación de carga neta, es decir, corriente.

Por este motivo, los semiconductores intrínsecos son muy sensibles a la temperatura, y a medida que aumenta se vuelven mejores conductores. Lo que permite la conducción, los electrones libres o los huecos se denominan portadores.

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Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los que se les añaden impurezas (proceso de dopado), que son átomos pentavalentes o trivalentes, que tendrán exceso o defecto de electrones; en los que llevan impurezas pentavalentes habrá exceso de electrones y se les denomina de tipo N; quedarán ligados al átomo pero no hará falta mucha energía para arrancar ese electrón.

En los que llevan impurezas trivalentes habrá déficit de electrones y se denomina de tipo P. Se necesitará poca energía para que un electrón se recombine con los enlaces de otros átomos, y complete así otras capas de valencia dejando en inferioridad de carga a su átomo anterior, al que le será fácil aceptar otro electrón.

El resultado es que en los semiconductores extrínsecos la conducción es más fácil, ya que se necesita una energía notablemente menor para que exista circulación de carga, tanto de huecos como de electrones. El nivel de impurificación o dopado es bastante bajo y ésto ya permite una gran conductividad, la concentración habitual de impurezas es de un átomo de impureza por cada 1E+7 de no impurezas.

Es importante destacar que habitualmente un semiconductor sólo se dopa con un tipo concreto de impureza, y que además de los portadores que se generan térmicamente, habrá tipo de portador generado por las impurezas, que a temperatura ambiente tendrá una concentración muchísimo mayor que los portadores generados térmicamente. Además, por haber sólo un tipo de impureza prodominará un tipo de ellos, y a este tipo se le llama portador mayoritario (electrones en semiconductor tipo N y huecos en tipo P).

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Relación de la temperatura con la conductividad.

Sin embargo a los portadores no les afecta por igual la temperatura, hay una gran dependencia del tipo. A los minoritarios, que son los que se generan térmicamente si que les afecta y además en gran medida, existe un rápido crecimiento de estos portadores frente a la temperatura. Mientras que los mayoritarios son propios del material, introducidos de forma química y externa, y hasta que la contribución térmica no supere a su concentración inicial, no es posible que existan más, es por tanto algo que no sucederá a temperatura ambiente

A todos los portadores les afecta el calor, en general es algo que sucede con todos los conductores porque disminuye su movilidad. Sin embargo en los portadores intrínsecos la generación de portadores frente a temperatura puede compensar esta disminución de la movilidad. Puede suceder incluso que un semiconductor extríseco pase a comportarse como intrínseco superada una cierta temperatura, en la cual la concetración de portadores de origen térmico supera a la de orígen químico.

Esto es extremadamente importante para comprender las derivas térmicas y corrientes de fuga en los semiconductores. Aunque habitualmente no se las tiene muy en cuenta, tienen una importancia muy considerable.

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Movilidad de los huecos frente a los electrones.

A la hora de producir una corriente eléctrica no es lo mismo trabajar con silicio tipo P, que con silicio tipo N. En el silicio tipo N la conducción la producen los electrones y en el tipo P la producen los huecos. Sin embargo no se requiere la misma energía para mover un electrón que para mover un hueco, a este parámetro se le denomina mobilidad. Se mide en cm/Vs (centímetros / (voltio·segundo), y depende el manterial y de la concentración de portadores.

Además de otros factores, la masa efectiva de un electrón es un 30% menor que la de un hueco, lo que implica la necesidad de una menor energía para desplazar un electrón. En los semiconductores con impurezas pentavalentes (tipo N) el electrón "sobrante" sólo tiene que superar una barrera energética de 0,05eV para pasar a la banda de conducción, una 20 veces menor que la barrera de potencial en silicio puro. Mientras que los huecos en impurezas trivamentes requieren una energía mayor.

Los resultados indican cifras de mobilidad aproximadamente tres veces mayores en electrones que en huecos, entre 1400 y 1600 cm/V·s para los electrones y 450-600 cm/V·s para los huecos.

Esto afecta a la resistividad del material, y en dispositivos de conmutación donde estas pérdidas son críticas alcanza niveles muy importantes, si por ejemplo un dispositivo de potencia basado en silicio tipo P requiere un área notablemente mayor para ofrecer las mismas características que un equivalente basado en silicio tipo N, posiblemente sea más adecuado no usar el de tipo P aún a costa de mayor complejidad en el circuito. Como veremos, aparte del sustancial ahorro en área de silicio hay otros fenómenos derivados de las grandes áreas como capacidad parásita y velocidad de recombinación que afectan a las prestaciones dinámicas del dispositivo.

 

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Generación e inyección externa de portadores.

En un semiconductor existe equilibrio eléctrico y termodinámico, es decir su carga neta es nula porque aunque exista generación térmica de portadores, lo que se forma son pares electrón-hueco, que se compensan eléctricamente y energéticamente. Igualmente, en semiconductores extrínsecos, existe equilibrio eléctrico, con la diferencia de que se requiere una menor energía para romper ese equilibrio eléctrico.

El equilibrio termodinámico implica que aunque térmicamente se produzca la ruptura de los enleces covalentes y el electrón salte a la banda de conducción (generación de un portador), también se producirá una recombinación, es decir, algún electrón de las capas de conducción quedará atrapado en un enlace covalente. La generación requiere energía y la recombinación la cede y el equilibrio termodinámico implica este equilibrio energético. Por esto, si no se producen variaciones externas (comunicación o cesión de energía), el equilibrio y el número de portadores se mantienen estables.

En los semiconductores extrínsecos el equilibrio termodinámico marca que, como el número total de portadores será fijo y el número de portadores mayoritarios será fijo y dependiente del dopado, el número de portadores minoritarios lo marca N(min)=Ni^2/N(may), donde Ni es el número de portadores impuesto por el equilibrio termodinámico. Se producirá una recombinación de los portadores minoritarios y una considerable reducción en su número, mientras que como el número de portadores mayoritarios es tan alto en comparación con los minoritarios, no se verá reducido apreciablemente, porque si de cada millón se recombina uno no afectará notablemente a la cifra final.

Esto tiene una gran importancia para comprender la velocidad en los transistores. La recombinación es un proceso que requiere energía y la recombinación de portadores minoritarios se ve dificultada ya que su número es escaso.

Sin embargo, cuando se aplica energía (campo eléctrico, calor, luz...) esta situación de equilibrio se altera, deja de existir equilibrio termodinámico y no se cumple que el producto del número de portadores sea igual a lo que marca la condición de equilibrio termodinámico. Habrá más o menos, dependiendo de si se produce inyección (más) o extracción (menos).

El caso del calor hemos visto que puede generar más pares electrón-hueco, a la derecha podemos ver una serie de respuestas de NTCs (negative thermal coeficient), resistores que disminuyen su valor resistivo a medida que aumenta la temperatura.

Pero también lo puede generar la luz (efecto fotoeléctrico). Cuando se produce una cesión de energía radiante que supera la anchura energética de la banda prohibida se pueden generar pares electrón hueco.

Aumenta el número de portadores y aumenta la conductividad. Esta es la base de la operación de los fotoresistencias, de la que incluímos una gráfica de respuesta a la derecha, los fotodiodos (abajo, derecha), los fototransistores... Además la respuesta será diferente para distintas longitudes de onda, dependiendo del material, y tendrá un tiempo determinado de respuesta.

Respuesta de una fotoresistencia

Este es también el motivo de que los semiconductores sean sensibles a la radioactividad, a rayos gamma concretamente, ya que aumenta las concentraciones de portadores. Los semiconductores son también sensibles a campos electromagnéticos de alta potencia, porque pueden ionizar sus átomos, pueden arrancar electrones y dejar huecos libres, creando portadores.

Respuesta de un fotodiodo

Las condiciones anteriores pueden alterar el equilibrio termodinámico pero no alteran el eléctrico, cada par electrón-hueco tiene una resultante neutra. Sin embargo existe otro tipo de perturbación que puede alterar el equilibrio eléctrico, y es producir un campo eléctrico. En un semiconductor extrínseco se requiere poca energía para arrancar un electrón (tipo N) o recombinarlo (tipo P), y esta movilidad hará que en presencia de un campo eléctrico las cargas se desplacen y se redistribuyan por el semiconductor siguiendo el campo eléctrico. Se puede llegar incluso a una situación denominada capa de inversión, donde la concentración (por la inyección que produce el campo eléctrico) de portadores minoritarios es tan alta, y la extracción de mayoritarios por parte del campo eléctrico es también tan alta, que la concentración de minoritarios supera a la de mayoritarios, pasándo los minoritarios a ser mayoritarios. Esto tiene una gran importancia en el transistor de efecto de campo.

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Corrientes

En un estado de equilibrio un semiconductor no tiene carga neta, existen portadores libres, pero éstos se compensan unos a otros.

Sin embargo, cuando se rompe el equilibrio, por ejemplo por la aplicación de un campo magnético externo se producirá una redistribución de las cargas, donde los eletrones tenderán a moverse en el sentido contrario del campo y los huecos siguiendo el sentido del campo. Lógicamente esta reubicación será proporcional al número de portadores y será más evidente en semiconductors extrínsecos, que poseen más portadores móviles, y estará dominada por los portadores mayoritarios. Aumentando el campo se puede llegar a un extremo en el que en un lado se acumulan tantos portadores mayoritarios que en el otro los minoritarios pasarán a ser mayoritarios, símplemente por la "desaparición" de los mayoritarios. Esta zona con predominio de portadores opuestos a los mayoritarios se denomina capa de inversión, y tiene una gran importancia en el funcionamiento de los transistores MOSFET.

A la corriente que genera la reubicación de los portadores se la denomina corriente de deriva.

Pero también puede suceder que en un mismo cristal se encuentren concentraciones de portadores desiguales, y entonces surgirán corrientes de portadores de las zonas donde están en exceso a las zonas donde están en menor concentración. A esta reubicación se la denomina corriente de difusión. Estas corrientes están asociadas a los dos tipos de portadores, no a uno sólo.

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Uniones P-N

Hemos descrito los semiconductores tipo N y tipo P, sus características de conducción, los portadores, qué sucede con la temperatura, con la luz, con la movilidad, etc y hasta ahora no parecía servir de nada. En realidad si que había tres aplicaciones, pero que no suelen usar silicio ni germanio como base, sino otros semiconductores más adecuados a cada tarea. Son:

  • las resistencias de coeficiente térmico negativo, las NTC, que reducen su resistencia a medida que aumenta la temperatura. Son semiconductores intrísecos, que aumentan enormemente el número de portadores con la temperatura.
  • las resistencias de coeficiente térmico positivo, las PTC, que aumentan su resistencia a medida que aumentan la temperatura. Son semiconductores extrínsecos, en los que la mobilidad de los portadores disminuye a medida que aumenta la temperatura.
  • las resistencias sensibles a la luz, que son semicondutores intrínsecos a los que la presencia de luz o de alguna otra radiación electromagnética les inyecta portadores a pesar de que en condiciones de oscuridad sean prácticamente aislantes.

Pero las posibilidades de los semiconductores van mucho más allá, y esto permite que mediante campos eléctricos o mediante inyección de portadores varíe la conductividad del material, violando la ley de Ohm.

Lo más básico es la unión P-N, donde a una parte del cristal se le introducen impurezas de tipo P y a otra parte se le introducen impurezas de tipo N. En un principio pensaríamos que como son semiconductores extrísecos se debería formar un conductor, pero no es esto lo que ocurre.

Cuando entran en contacto las partes P y N hay una concentración desigual de portadores, en un lado hay exceso de electrones y en el otro de huecos. Se producirá por tanto una corriente de difusión, que tiene como objetivo igualar las concentraciones de portadores, pero hay un efecto que lo frena.

Cuando los electrones del lado N abandonan su átomo se producirá un aumento de carga positiva, dado que el protón del átomo no ve compensada su carga con otro electrón. En el lado P pasará lo mismo, cuando los huecos abandonen sus átomos de origen se producirá una carga negativa.

Esta concentración de cargas creará un campo eléctrico y la consiguiente barrera de potencia, impidiendo una difusión total de los portadores. Es decir, la corriente de difusión creada por redistribución de portadores hacia zonas donde son minoritarios se compensa con una corriente de deriva creada por un campo eléctrico.

Entre las dos uniones habrá una zona donde los portadores se recombinarán con los átomos y por lo tanto no habrá más portadores que los intrínsecos, es decir, los que se generan térmicamente, y son muy pocos a temperatura ambiente. En esas condiciones la unión de dos conductores resultará en un material no conductor, dada la alta resistividad de la capa donde se han recombinado los portadores.

Pero este comportamiento se puede variar mediante campos o voltajes externos. Lo veremos en el siguiente apartado.

 

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Diodos

Un diodo consta de una unión P-N, donde hemos dicho que en el centro de la unión se producirán corrientes de difusión que tienden a distribuir los portadores uniformemente, un campo eléctrico que frena la difusión total y una zona vacía de portadores porque éstos se han recombinado. A esta zona vacía se la denomina capa de deplexión o capa de carga espacial.

Pero existiendo un campo eléctrico y un potencial que produce esa situación de equilibrio seguramente podrá alterarse por la acción de otro campo eléctrico. Podemos producir ese campo eléctrico de manera externa aplicando un voltaje (potencial).

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Polarización directa.

Cuando se aplica un voltaje positivo en el ánodo (parte P) y el voltaje negativo en el cátodo (parte N) se produce una inyección de portadores, huecos en la parte P y electrones en la parte N. Se produce también una disminución de la barrera de potencial por la acción del volaje externo que la contrarresta.

Los electrones se comportan como libres en la parte N, donde son mayoritarios y donde la inyección produce un exceso, y tienden a ir hacia la capa de deplexión. En la capa de deplexión, si alcanzan suficiente energía como para superar la barrera de potencial, se recombinan con los huecos de la parte P, pasando a la capa de valencia. Entonces se produce una corriente de difusión, ya que se encuentran en una parte P donde son minoritarios, pero son más minoritarios fuera de la capa de deplexión, donde en el lado P hay exceso de huecos.

Los huecos sufren un proceso similar, son portadores libres en el lado P, tienden hacia la unión donde se recombinan y sufren una difusión hacia las zonas deficitarias de huecos de la parte N.

El potencial externo hace que los portadores minoritarios (electrones en el lado P y huecos en el lado N) que ya han atravesado la capa de deplexión abandonen el diodo hacia su respectivo electrodo en la fuente de tensión (electrones desde el lado P al ánodo(+) y huecos desde el lado N al cátodo (-). Dejan sitio así para que entren nuevos electrones por el lado N y nuevos huecos por el lado P.

A medida que se aumenta la tensión de la fuente la barrera de potencial disminuye, y a los electrones les resultará más fácil superarla y llegar al lado P donde se recombinarán y serán conducidos fuera del diodo. Esta barrera de potencial puede llegar a desaparecer cuando sea superada por el voltaje aplicado, unos 0,65V en el silicio a temperatura ambiente, dando lugar a una conductividad muy alta, que era lo que se esperaba al unir dos semiconductores dopados, es decir, conductores.

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Polarización inversa.

En este tipo de polarización se aplica un voltaje en sentido inverso, en el que el voltaje positivo se aplica al cátodo (parte N) y el voltaje positivo se aplica al el ánodo (parte P).

Esto tiene el efecto contrario a lo anterior, en lugar de inyectar portadores tiende a extraerlos: los electrones del lado N tenderán a ir hacia el ánodo (+) de la fuente y los huecos tenderán hacia el cátodo de la fuente (-). Los portadores se alejan de la unión y se alcanzará el equilibrio cuando el potencial creado en la unión por los iones recién creados en la capa de deplexión iguale al potencial exterior.

No habrá más movimiento de cargas que el que corresponde a la redistribución causada por el campo aplicado. Es decir, no habrá circulación de carga y no habrá corriente.

Sin embargo el potencial creado por los iones de la capa de deplexión produce un campo eléctrico, y a su vez este campo produce una corriente de deriva que hace que los portadores minoritarios (recordamos que se generan térmicamente) de cada lado atraviesen la capa de deplexión y lleguen a las regiones donde son mayoritarios. Esta corriente, como depende de los portadores minoritarios será muy débil y prácticamente independiente de la tensión aplicada. En cambio si que será muy dependiende de la temperatura, ya que ese fenómeno es el que causa el aumento de portadores minoritarios.

Y como último punto, se puede producir un fenómeno llamado avalancha. Se produce cuando el campo eléctrico es tan intenso (potencial elevado) que algún electrón en la banda de valencia adquiere energía suficiente como para escapar de los enlaces covalentes de los átomos en la capa de deplexión, hacia la banda de conducción. La energía necesaria es alta, por eso se requiere que el campo eléctrico también lo sea.

El electrón se acelera por el campo, adquiriendo energía cinética, y puede impactar en otros átomos. El choque puede comunicar energía a otro electrón para que escape de la capa de valencia a la de conducción, y ya son dos, que se aceleran por el campo y pueden impactar en dos átomos, liberando dos nuevos electrones, que liberarán 4 más, y éstos 8 más...

Éste fenómeno multiplicativo se denomina multipicación en avalancha y produce un aumento irreversible de la corriente en inversa, destruyendo el diodo, lo que se denomina ruptura de la unión.

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Capacidad parásita.

Existen dos fenómenos que crean un comportamiento capacitivo en los diodos.

Uno se basa en que cada vez que varía el voltaje aplicado al diodo se produce una redistribución de cargas semejante a lo que ocurre en un dieléctrico de un condensador. Este comportamiento tiene lugar en polarización directa, pero en inversa resulta despreciable.

En polarización inversa si que existe un fenómeno que se acerca más físicamente a lo que se entiende por condensador, y esto es dos armaduras y un dieléctrico. El dieléctrico lo forma la capa de deplexión y las armaduras las partes P y N a los lados de la capa de deplexión. Esta causa de capacidad es una de las más importantes, como veremos todos los transistores la sufren en algún punto.

Sin embargo el valor de esta capacidad no es constante ya que la anchura de esta capa de deplexión tampoco es constante. La capacidad aumenta a medida que disminuye el voltaje en inversa y disminuye a medida que aumenta ese voltaje, porque la capacidad de un condensador aumenta cuanto más juntas están las armaduras y disminuye cuando se alejan.

A este fenómeno se le denomina modulación de la capacidad, y en amplificación lineal y RF es una importantísima causa de distorsión a alta frecuencia.

Esta es la base teórica del varicap, que es un diodo usado para poder controlar su capacidad controlando su tensión de polarización en inversa.

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Transistores

Un transistor es un dispositivo con tres terminales (en la inmensa mayoría de los casos), cuya función es controlar el paso de corriente entre dos de sus terminales. Esta corriente sólo podrá ir en una dirección, y el control se realiza desde el tercer terminal, mediante corriente o mediante tensión relativa a otro terminal.

Todos los transistores tienen tres modos de operación, que son: corte, lineal y conducción libre.

  • El estado de corte implica que no circulará corriente por los terminales de paso de la corriente, se comportará como un circuito abierto.
  • El estado lineal permite que pase una corriente con un valor más o menos proporcional al coltaje o corriente del terminal de control.
  • El estado de conducción libre supone que el transistor se comporta como un cortocircuito, y que la corriente no la marca el control sino el ciruito que genere esa corriente.

Los transistores rara vez permiten que la corriente pase en ambos sentidos, habitualmente sólo puede circular en uno. Y es más, aunque se pudiese sería muy difícil de controlar, porque cuando se aplica una tensión de control, se hace entre el terminal de control y uno de los terminales por los que circula la corriente.

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Transistor BJT

El más antiguo, usado y extendido es el transistor bipolar, llamado así porque intervienen ambos tipos de portadores, mayoritarios y minoritarios (electrones y huecos). El uso tan extenso que tienen hace que su disponibilidad sea alta y que su precio sea bajo, a pesar de que los modelos de mayores prestaciones sean difíciles de conseguir, como es habitual. BJT significa bipolar junction transistor.

Consta de una parte N con una gran cantidad de impurezas, es decir, muy dopada, una parte P con un nivel de dopado menor, y una parte N con un dopado levemente mayor que la P.

La parte N está normalmente muy dopada se denomina emisor, y su función será precisamente emitir electrones. El terminal de control se conecta a la parte P, llamada base, y la parte N con dopado normal se denomina colector, porque recibe a los electones que genera el emisor.

Aunque no necesariamente el colector y el emisor deben ser únicos, de hecho es habitual fabricar varios y unirlos internamente para mejorar aspectos concretos de cada modelo.

Estas tres capas forman dos diodos, y como es fácil de imaginar habrá dos capacidades parásitas importantes. Una de ellas es la capacidad del diodo base-emisor, y otra la del diodo base-colector. Para transistores de baja señal, donde las corrientes y los voltajes son bajos los diodos pueden ser físicamente pequeños, de hecho veremos que esto es una gran ventaja en sus parámetros.

Las capacidades de estos diodos pueden ser pequeñas, del menos de 10pF. En cambio los transistores de potencia requieren diodos grandes y anchos para poder conducir más corriente. Esto implicará que las capacidades serán altas. Aunque los avances tecnológicos han permitido reducir estas capacidades sin degradar otras prestaciones, se pueden tener ente 500 y 2000pF en el diodo base-emisor y la mitad en el base-colector. En los MOSFET e IGBT es ligeramente mayor, del orden de cinco veces más para los mismos parámetros de corriente y voltaje máxima. Esta capacidad será no lineal, por supuesto, ya que depende de las tensiones inversas aplicadas en uniones P-N.

Comentamos los modos de operación.

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Modo activo (lineal).

En este modo, el diodo base-emisor se polariza en modo directo y la corriente circulará desde la base hasta el emisor. Para polarizar este diodo en directa hay que superar su barrera de potencial con una tensión de base a emidor de alrededor de 0,65V, lo que supondrá una dificultad de manejo, pero siempre menor que otros tipos de transistor como los MOSFET e IGBT que no dependen de una unión P-N y requieren en torno a 3.5V.

Decir que el diodo base emisor se polariza en directa es lo mismo que decir que los electrones se generarán en el emisor y tenderán a ir hacia la base (recordamos que el sentido de la corriente es el contrario al sentido del movimiento de los electrones), y que los huecos de la base tenderán a ir hacia el emisor. Se necesitan los dos tipos de portador para la conducción, de ahí el nombre de bipolar.

En un principio, la base está hecha de silicio tipo P, con exceso de huecos, y los electrones , que son minoritarios deberían tender a caer en las capas de valencia del silicio con impurezas de tipo P, como sucede en el diodo. Pero lo que sucede es que la mayoría de los electrones van hacia el colector por el menor dopado relativo de la base frente al emisor, y porque son minoritarios en el silicio tipo P, lo que alarga el tiempo de vida de los electrones en la base, o dicho de otra manera: aumenta la dificultad de que los electrones se recombinen en la base; en cambio los huecos tienen mayor facilidad para recombinarse en el emisor. La facilidad de que los electrones circulen hacia el colector se incrementa porque físicamente la base es estrecha, y existe una gran facilidad para que la atraviesen.

Características derivadas del uso de portadores minoritarios.

Esta característica de conducción por los portadores minoritarios marca precisamente dos de sus mayores limitaciones. Una es dinámica, debido el alto tiempo de vida de los portadores minoritarios de la base. Una vez que se corta la corriente de base, los electrones tardan un tiempo alto en recombinarse. Este tiempo puede acelerarse extrayendo por medios eléctricos los electrones de la base, aplicando una corriente en sentido inverso al anterior.

La otra limitación, también debida a la presencia de portadores minoritarios (generados térmicamente) es que su coeficiente térmico es negativo, tienden a conducir más corriente cuando se calientan, y esto implica que no se pueden usar varios BJT en paralelo porque sólo uno acabará haciendo el trabajo de los demás.

Internamente, y también por el carácter de los portadores minoritarios, se pueden generar zonas en las que se produce un aumento de la conductividad, que tenderá a conducir más y se puede producir un efecto denominado "hot spots". Son zonas dentro del silicio en las que la conducción aumenta incontroladamente y se produce un deslizamiento térmico. Cada vez conduce más, cada vez se calienta más por la presencia de una mayor corriente y a final se produce una avalancha de portadores. El fenómeno externo se denomina ruptura secundaria y marca que los BJT no pueden trabajar con altos voltajes y grandes corrientes a la vez, incluso aunque estén por debajo de lo que marca el límite de potencia, porque al tener coeficiente térmico negativo se crean "hot spots" dentro de él y la sucesiva avalancha que destruye el transistor.

Seguimos con la explicación del modo lineal:

Los electrones inyectados por el emisor en la base tienen una gran dificultad para recombinarse y cuando alcanzan la capa de deplexión del diodo base-colector son atraídos por el campo eléctrico hacia el colector.

De esta manera, la unión base-colector, que está polarizada en inversa sufre un fenómeno de inyección de protadores semejante a lo que ocurre en un fotodiodo, en el que se inyectan portadores en la capa de deplexión del diodo base-colector, pero que son esecialmente independientes del voltaje de base a colector porque son generados por el diodo base-emisor.

Prácticamente la totalidad de los electrones alcanza el colector, salvo los que consiguen recombinarse en la base y salen por ella. Existe un parámetro denominado beta o HFE que marca la proporción entre los que salen por la base y los que salen por el colector, o lo que es lo mismo, la ganancia de corriente. En los transistores de señal es alta, ente 200 y 800, lo que significa que realmente pocos de los electrones que pasan por la base puede salir por ella.

Variaciones en el parámetro beta

Este parámetro sufre grandes variaciones en función de la construcción. Hemos dicho que la base debe ser estrecha para permitir una mayor inyección de portadores en el colector, pero esta delgadez puede hacer que cuando la tensión inversa en el diodo b-c sea muy alta, las capas de deplexión aumenten tanto que se llegue a perforar la base, pasando a conducción libre. Por esto en los transistores de alto voltaje la base debe ser ancha y disminuye el parámetro beta. También la distribución de dopado en la capa del colector varía en función del voltaje inverso necesario.

Cuando se requiere una gran conducción de corriente se requieren diodos de mayor tamaño, reduciendo también así beta y aumentando la capacidad parásita. La consecuencia es que la ganancia de corriente en transistores de potencia es baja.

Eso hace que necesiten un transistor de potencia media denominado "driver" para suministrar la corriente que resto del circuito no pude proporcionar. Esto forma un par Darlington, muy usado, que alcanza ganancias de corriente del orden de 1000-10000, a costa de una mayor tensión de control.

La resistencia de la base al emisor del segundo transistor sirve para extraer los portadores minoritarios de la base y mejorar los tiempos de conmutación, y prestaciones dinámicas en general.

Para un mismo transistor, la ganancia de corriente no es constante frente a la corriente de colector y sufre una drástica reducción en los extremos. A bajas corrientes de colector, cuando se requieren muy pocos portadores minoritarios en la base, ese bajo número aumenta sus posibilidades de recombinación y es la causa de que con corrientes de microamperios beta sea muy pequeña.

Como nota añadida, esas bajas corrientes hacen funcionar al diodo base-emisor en una zona poco lineal, recordamos que un transistor bipolar tiene una curva de transferencia que es una exponencial, las partes más cercanas a la curva corresponden a las corrientes más bajas y las de corriente más alta a la asíntota, que se puede aproximar por una recta.

A altas corrientes de colector se impide que lleguen suficientes huecos al emisor, debido a fenómenos como la resistencia transversal de base (al ser estrecha aumenta su resistencia) . Esto hace que la ganancia caiga cuado más potencia se entrega y puede ser una causa de mal funcionamiento en circuitos lineales, además de un motivo extra para usar drivers.

Efecto Early

Hemos dicho que la corriente de colector en el modo activo es esencialmente independiente de la tensión de colector. Esto no es exactamente así, existe un efecto parásito denominado efecto Early que consiste en que hay una cierta dependencia de la corriente de colector frente a su tensión.

El fenómeno físico se refiere a que cuando aumenta la tensión de colector aumenta la anchura de la capa de deplexión de la unión base-colector, polarizada en inversa, ý cuya consecuencia es el estrechamiento de la base, mejorando así la inyección de portadores en el colector.

Aunque se rige por un fenómeno alineal, en un amplio margen se puede modelar como una resistencia parásita en paralelo con el transisor.

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modo de corte

En el modo de corte, el diodo base-emisor está despolarizado (Vb-e=0V) o polarizado en inversa, y el diodo base-colector está polarizado en inversa. En el emisor no se generarán portadores libres que causan la corriente descrita antes, y las corrientes que circularán por el diodo base-colector serán se deberán a fugas de superficie y generación térmica de portadores, serán por lo tanto corrientes de valor despreciable (desde 1nA hasta 1uA) )y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

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modo de conducción libre (saturación)

En el modo de conducción libre, tanto el diodo base emisor como el diodo base-colector están polarizados en directa, y tendrá lugar dos fenómenos:

En el diodo base-emisor se produce una corriente generada por la difusión de electrones del emisor a la base, y de huecos de la base al emisor, donde predomina la primera, difusión de electrones a la base, ya que el emisor está más dopado que la base. Es el mismo caso que tiene lugar en el diodo base-emisor en el modo activo.

En el diodo base-colector, que también está polarizado en directa, se genera una corriente por la difusión de electrones del colector a la base y de huecos de la base al colector. Como la base posee un dopado mayor que la habitual capa epitaxial N-, predomina la inyección de huecos de la base al colector.

Como la base es muy estrecha y los electrones tienen dificultad para recombinarse en ella, los flujos de electrones del emisor llegan al colector, y viceversa, los electrones generados por el colector alcanzan al emisor.

En resumen, existen dos corrientes en sentido opuesto, una del emisor al colector y otra de la colector al emisor, de las cuales alcanza un valor mayor la corriente de electrones del colector al emisor (o de huecos y corriente eléctrica del emisor al colector), por lo que se cumple que la proporción entre la corriente de colector y de base es menor que en el modo de operación activo.

 

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Transistor MOSFET

El transistor mosfet es más nuevo y actualmente su uso está completamente extendido en aplicaciones digitales y de potencia, ya que sus características permiten un manejo más cómodo del terminal de control y otros beneficios en cuanto a velocidad de conmutación y sobre todo consumo. A pesar de ello, las familias lógicas más rápidas (ECL) usan bipolares especiales, a precios prohibitivos. La distribución de los modelos de potencia aumenta con el apogeo de las aplicaciones de conmutación, hasta hace unos años eran difíciles de encontrar y aún así los modelos de tipo P son algo difíciles de conseguir en tiendas. En baja potencia la disponibilidad es menor.

Mosfet significa metal-oxide-semiconductor field effect transistor. Están basados en el efecto de campo, su conducción o no conducción depende de la existencia de un campo eléctrico transversal a un canal de silicio en el que se produce la conducción atrayendo o repeliendo a los portadores.

Este campo eléctrico se produce entre dos terminales, llamados puerta (gate,g) y sustrato (bulk). El canal tiene dos terminales, denominados fuente (source, s) y drenador (drain, d), y entre en ellos se produce la conducción de corriente. Y se acerca más a la idea original de Shockley sobre los "triodos de estado sólido", aunque acabase descubriendo el transistor bipolar.

Características que impone la puerta.

La capa de metal-óxido-semiconductor se denomina puerta y forma un condensador parásito, lo que supone la más seria limitación dimámica a los mosfet. Esta capacidad varía entre unos pocos picofadarios, para los transistores de señal y especialmente los de circuitos digitales, y entre 1 y 10 nF para los de potencia. También provoca otra cuestión. La capa tiene unos cuantos nanómetros de espesor, entre 10 y 100, por lo que es extremadamente sensible a ruptura dieléctrica y se puede dañar irreversiblemente por descargas electrostáticas. Pero es necesario que sea extremadamente delgada para aumentar la eficiencia del campo eléctrico creado en el canal.

Por otra parte podríamos pensar que ahora que tenemos un condensador en el que no se genera por la acción de capas de deplexión de tamaño variable, tendríamos una capacidad constante, pero desgraciadamente no es así.

Tras el condensador MOS se exhibe una alinealidad debido a que además de la capacidad puerta-fuente se necesita cargar la capacidad puerta-drenador, la llamada capacidad de Miller, y cuando esto ocurre la carga de la corriente de puerta se inverte únicamente en cargar esa capacidad, La capacidad Cgd es no lineal, ya que depende de un diodo en inversa, y por esto se suele dar la carga en nC en lugar de en nF, porque permite cálculos más precisos especialmente en conmutación.

Dado que es un dispositivo controlado por tensión y que posee uno de los mejores aislantes (el dióxido de silicio, componente básico del vidrio), poseen una altísima impedancia de entrada a frecuencias bajas. Esto facilita su carga por parte de otros dispositivos, y no requieren transistores drivers. Pero también es una lacra a nivel de ruido, siendo responsable de niveles altos de ruido de baja frecuencia (flicker noise). Su origen no está del todo claro pero se admiten mayormente dos teorías: una basada en la variación de densidad de portadores en la proximidad de la puerta y otra basada en variaciones de movilidad de los portadores.

Los mosfet se denominan de canal N o de canal P según el tipo de silicio del canal, pero esto se deriva de los primeros mosfet que se desarrollaron. Éllos partían de la idea de mosfet de deplexión, o de vaciamiento. En él la conducción la producían realmente los portadores mayoritarios, electrones en silicio tio N y huecos en tipo P.

En este tipo de mosfet, cuando la tensión de control es nula se produce conducción, y para entrar en estado de corte se debe hacer que la puerta repela a los portadores del canal, aplicando un campo eléctrico dirigido desde el sustrato hasta la puerta (canal N y viceversa para el P).

Características derivadas del uso de portadores mayoritarios.

Precisamente el empleo de portadores mayoritarios es una de las ventajas dinámicas, sobre todo en lógica digital y conmutación, ya que la conducción se detiene cuando desaparecen estos portadores, y no es necesario esperar un lento proceso de recombinación en un sustrato en el que son minoritarios. También, y dado que no intervienen en la conducción los portadores minoritarios el mosfet es menos sensible a temperatura y los efectos de ésta tienden a protegerlo, a disminuir la corriente de drenador. También sufren menos ruido por efectos térmicos, ya que los portadores que intervienen en la conducción no se generan térmicamente, pero esta característica queda enmascarada por el alto nivel de flicker noise.

El coeficiente térmico positivo, consecuencia de emplear únicamente portadores mayoritarios en la conducción permite operar con varios de estos dispositivos en paralelo, dado que si un dispositivo se calienta tiende a conducir menos. También para circuitos que operan sin compensación térmica el mosfet es menos sensible a temperatura y los efectos de ésta tienden a protegerlo, a disminuir la corriente de drenador. Pero como contrapunto, el coeficiente térmico del voltaje de estrangulamiento (se comenta más adelante) es negativo, por lo que el comportamiento para corrientes bajas dependerá del mosfet empleado.

Tampoco es posible que se generen "hot spots", manchas calientes, donde se generan zonas de muy alta conductividad, que además se ve incrementada con el calor, y puede dar lugar a una avalancha. No sufren por tanto ruptura secundaria y se pueden emplear conduciendo grandes corrientes con grandes voltajes de drenador a fuente. Este mismo mecanismo les permite soportar sobrecargas durante periodos cortos de tiempo, mientras no se que se alcance el límite térmico.

Actualmente los denominados mosfet de canal N poseen un canal de silicio tipo P, porque para evitar que la conducción se produzca con una tensión de control nula se debe estrangular el canal completamente, y que la conducción se produzca únicamente en presencia de un campo eléctrico. Esto se denomina mosfet de enriquecimiento, o de acumulación.

En los de vaciamiento la conducción la producían realmente los portadores mayoritarios, porque en los de enriquecimiento, el canal es de silicio tipo P, y los electrones son minoritarios. Salvo porque cuando se aplica el campo eléctrico transversal al canal, entonces los electrones son atraídos hacia la puerta, creando lo que se denomina capa de inversión, donde predominan los portadores opuestos a los mayoritarios, pasando ahora a ser ellos los mayoritarios.

Esta característica supone que habrá que superar una cierta tensión para que el mosfet empiece a conducir, como en el caso de los BJT, pero con el problema de que esta tensión habitualmente es más alta, entre 1 y 4 voltios, siendo más habitual 2 para tranistores de señal y los japoneses de potencia, y 3.5 para los de potencia.

A la derecha se puede ver una gráfica de función de transferencia y cómo no hay conducción hasta que no se superan aproximadamente 2.5V

Este voltaje se denomina voltaje de estrangulamiento, o voltaje de pinch-off, porque es el voltaje por debajo del cual no hay capa de inversión en el canal y por lo tanto no hay conducción. Sin embargo hemos visto que variando la geometría del canal se podrían hacer que estas tensiones variasen en un amplio rango, de hecho las lógicas digitales lo usan y es una caracterísitca muy útil en circuitos integrados.

En comparación con los bipolares y a pesar de que el uso del terminal de control sea más sencillo por no absorber corriente, el control de la corriente requiere variaciones mayores en la tensión de control. Por ejemplo para ciertos BJTs de señal bastaría con 0,1V para producir cambios de 100mA, mientras que en modelos de potencia, voltaje y corriente semejante sería necesario aplicar un cambio de 1 voltio. A esta característica se la denomina transconductancia.

Ahora pasaremos a comentar las características de cada modo de funcionamiento.

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Modo lineal (saturación).

Ya hemos visto bastante sobre su funcionamiento, será breve. Cuando se aplica un campo eléctrico entre la base y el sustrato (bulk) se genera una capa de inversión, que permite la conducción entre el terminal D y el terminal S, y la corriente que circule por D-S será mayormente independiente de la tensión D-S, ya que los portadores libres los genera el campo de la puerta y se ve muy poco afectado por esa otra tensión.

Efecto Early

Aunque hemos dicho que la corriente de drenador es mayormente independiente de la tensión D-S, existe un fenómeno con resultados similares a los de los transistores BJT, donde se exhibe una cierta dependencia de la corriente frente a la tensión.

En este caso los mecanismos de conducción son muy diferentes, y el efecto Early se produdce por la modulación de la longitud del canal. Existe una unión P-N polarizada en inversa entre el sustrato y el drenador, y cuanto mayor sea la capa de deplexión, menor será la anchura efectiva del canal.

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Modo de corte

En el estado de corte no hay campo eléctrico entre puerta y sustrato (bulk), por lo que no habrá capa de inversión y tampoco habrá portadores libres. El canal de tipo P y el drenador, de tipo N forman un diodo que habitualmente está polarizado en inversa, impidiendo así la conducción.

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Modo de conducción libre: (zona Óhmica)

En este estado el campo puerta-sustrato atrae a más portadores de los que son necesarios para la conducción de la corriente que circula, comportándose así como una resistencia controlada por tensión (triodo).

Y por último, señalar que normalmente en los mosfet se conecta el sustrato (bulk) a la fuente, haciendo así más sencillo el control, pero imposibilitando controlar la tensión de estrangulamiento.

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El MOSFET de potencia.

Esta configuración que hemos visto corresponde a los mosfet de baja potencia, a los mosfet denominados laterales. Pero los mosfet de potencia emplean otras configuraciones más eficientes, son los D-MOS, V-MOS, Trech-MOS, ... y se basan en una difusión vertical en lugar de difusión planar.

La principal diferencia de construcción es que el drenador se conecta al sustrato, aplicando su correspondiente capa de silicio tipo N bajo el canal de tipo P, lo que forma un diodo parásito que es muy útil en conmutación de cargas inductivas, aunque puede generar limitaciones dinámicas. En ellos el campo eléctrico de la puerta es referido diréctamente a la fuente, y no al sustrato.

Habitualmente con el fin de aumentar la eficiencia de la capa de inversión, la puerta se haya en una hendidura, de ahí los diferentes nombres. También se colocan varias fuentes , no sólo una, en diferentes geometrías: triángulo, cuadrado, hexágono, dando lugar así a más marcas comerciales.

Colocar la puerta en una hendidura permite que la longitud del canal sea más corta, reduciendo la resistencia en estado de conducción libre y haciendo que el área de puerta necesaria para crear la capa de inversión sea menor, reduciendo así su capacidad parásita.

El gráfico de la derecha representa un mosfet de canal N de difusión vertical. En él se detalla la dirección de la corriente eléctrica en el modo de conducción. La capa de inversión se produce en las proximidades de la puerta mientras que el resto del canal se comporta como un diodo en inversa.

En este otro gráfico se pueden ver los fenómenos parásitos de un mosfet. Lo más importante son las capacidades parásitas, de puerta a fuente, a drenador... y otros fenómenos como el body-drain diode, que es un elemento parásito que a pesar de ser parástio, tiene ventajas para trabajar con cargas reactivas como motores y altavoces.

Existen un fenómeno parásito, que además es de gran importancia para comprender el fenómeno del latching en los IGBT, que es el transistor NPN parásito. Podemos ver su emisor en la fuente, su base en el canal de silicio tipo P y su colector en la capa N epitaxial. Genera inconvenientes dinámicos como limitar la máxima variación de la tensión drenador-fuente. Cuando se produce una gran variación de tensión Vd-s la capacidad parásita entre N-epi y el canal P puede disparar el transistor creando un estado de conducción, aunque la tensión de puerta esté por debajo de la tensión de estrangulamiento. Este fenómeno de entrada en conducción también se puede generar por un mecanismo diferente, basado en la realimentación que produce a alta frecuencia la capacidad parásita Cgd, la carga comunicada puede elevar la tensión Vgs si la resistencia conectada a la puerta es alta, y si Vgs supera Vt (voltaje de estrangulamiento) entrará en conducción.

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Transistor IGBT

El transistor IGBT es relativamente nuevo, los primeros modelos datan del año 80, pero sólo se extendieron notablemente a partir del año 95, coincidiendo con el apogeo de las aplicaciones de conmutación, y cuando los fabricantes pusieron a disposición del público modelos más fiables y baratos.

Generación de un PNP dentro de un N-MOSFET.

Consiste en la misma estructura que un mosfet vertical de potencia, pero en la que se añade una capa de silicio tipo P entre lo que antes se consideraba el drenador y el contacto metálico.

De esta manera se forma un transistor PNP entre el canal de tipo P, el drenador de tipo N y la nueva capa de silicio tipo P. Se alcanza una configuración semejante a de un par CFP, siendo el transistor de potencia un PNP y el driver un mosfet, con algún efecto parásito añadido.

Ahora el canal de silicio tipo P del transistor mosfet se convierte en el colector del transistor PNP, por él circulará gran parte de corriente, aunque lógicamente la corriente de base del PNP circulará por la capa de inversión del mosfet en dirección a la fuente.

A la derecha se muestra el circuito equivalente del IGBT. Debe comprenderse que es un modelo equivalente, es decir, que hace lo mismo pero que no es lo mismo. En el interior del IGBT no existen dos transistores separados sino que ciertas partes de uno son a su vez partes del otro transistor.

Se puede ver también que el colector del IGBT corresponde al emisor del PNP y que el emisor del IGBT corresponde al colector del PNP.

Ventajas sobre los MOSFET verticales

Las ventajas sobre los mosfet consisten en que ahora se puede modular la conductividad de la capa N que correspondía al drenador, por la inyección de portadores de la nueva capa P. Esto permite que la densidad de corriente de un IGBT sea levemente mayor del doble de lo que se obtiene con un mosfet. El área de silicio es uno de los elementos más caros de la electrónica y supone una ventaja muy importante.

En general estos dispositivos se comportan como los mosfet aunque tengan algunas diferencias. Son dispositivos controlados por tensión, no por corriente. Su alta impedancia de entrada a frecuencias de audio hace que tampoco necesiten drivers ni corriente para funcionar en zona lineal. Manejan potencia con gran facilidad. El coeficiente térmico es en general levemente positivo y además es casi nulo, aunque este punto se comentará más en detalle.

Sin embargo, esta gran capacidad de conducir corriente hace que no existan más que modelos de potencia y además, teniendo en cuenta que los huecos, portadores mayoritarios en el silicio tipo P tienen una baja movilidad en comparación con los electrones, hacen que aumente notablemente las pérdidas, por lo que se estima que es preferible recurrir sólo a dispositivos de tipo N, aún a costa de que el circuito excitador sea más complejo. En resumen, sólo existen dispositivos tipo N de potencia.

Otra ventaja sobre los mosfet, e incluso sobre los bipolares es que la transconductancia del mosfet driver se debe multiplicar por la ganancia en corriente del PNP, lo que da unas cifras de transconductancia total muy altas, pudiendo alcanzarse 100 S. Esto significaría que para producir una variación de la corriente de un Amperio habría que variar la tensión de control 10mV. La transconductancia es la facultad de que una variación en la tensión de control se convierta en una variación de corriente.

La siguiente es que es posible obtener bajas pérdidas para dispositivos de alto voltaje.

En un mosfet de alto voltaje es necesario aumentar el tamaño de la capa epitaxial (N-) por dos motivos, uno es aumentar la tensión de ruptura de la unión P(canal) y N(epi); y también porque se podría producir un estrangulamiento del canal semejante a lo que ocurre en los JFET por las capas de deplexión que forman las capas N-epi y el canal de silicio tipo P.

La transconductancia, que es la facultad de que una variación en la tensión de control se convierta en una variación en corriente también se ve afectada, porque también es necesario reducir el tamaño del canal de silicio tipo P y el tamaño de las fuentes. Todo esto deriva en una mayor resistencia en el modo de conducción libre, y para altas corrientes el mayor efecto resistivo es el que produce las pérdidas.

Sin embargo, en un IGBT las pérdidas no son tan claramente relativas a la corriente, sino que se deben a un voltaje fijo, como sucede en los transistores BJT. Además, las pérdidas de un mosfet aumentan con la temperatura, ya que son puramente resistivas. En un IGBT, que se basa en la presencia de portadores minoritarios (recordamos que su concentración depende enormemente de la temperatura), el fenómeno es diferente. Lo único que sufre la mayor resistencia por la temperatura es la corriente de base, generada por el mosfet, mientras que la ganancia en corriente del PNP aumenta, habitualmente a un ritmo mayor. Aún así los modelos comerciales suelen tener un coeficiente térmico próximo a cero.

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El problema de la cola.

Los mayores deficiencias de un IGBT sobre el mosfet se producen cuando se pasa del estado de conducción (libre o lineal) al de corte. Aquí sufren el mismo problema que los BJT, pero con dos diferencias muy importantes. La primera es que el transistor PNP del IGBT nunca entra en saturación profunda, sino que está en un estado muy próximo al activo, donde el diodo base-colector no se polariza en directa y no habrá que eliminar los portadores minoritarios de esa unión.

Pero sí que existirán portadores minoritarios en la base del PNP. Ya que no se puede acceder a la capa epitaxial, porque esa la capa P del emisor del PNP y la capa N epitaxial cubren todo el silicio, la única alternativa es que se recombinen. Este es un proceso notablemente más lento que en los mosfet, donde no tiene que recombinarse nada, y en los BJT se puede acelerar aplicando una corriente negativa a la base que haga desaparecer a los portadores minoritarios.

Pero aqui no hay nada que acelere, y en las gráficas de conmutación se puede ver un fenómeno llamado "cola", que consiste en que el mosfet entra en corte rápidamente pero la parte bipolar sigue conduciendo, y es responsable en gran medida de las pérdidas por conmutación (aunque es el responsable de las bajísimas pérdidas por conducción).

 

La segunda diferencia con un BJT normal es que para acelerar la recombinación de los huecos (minoritarios en la base de un PNP) se puede intercalar una capa de silicio tipo N muy dopado, que tiene como objetivo y como contrapartida el reducir el tiempo de vida de los portadores minoritarios, facilitando su recombinación.

A este tipo de IGBT con una capa N+ intermedia se le denomina PT (punch thorugh), los que no la llevan, NPT (non puch through). La mayoría de los IGBTs que se fabrican son PT.

Por desgracia, y como vimos en el transistor BJT, la eficiencia de un transistor bipolar se basa en gran medida en que la base sea muy estrecha y que los portadores tengan más dificultad en recombinarse.

También tiene como ventaja una mayor conductividad de la capa tipo N y la posibildad de hacer la capa N-epitaxial más delgada. La reducción de la eficiencia de la parte bipolar también trae dos ventajas, una es la reducción del coeficiente térmico tan negativo del PNP, lo que puede facilitar el uso de varios IGBT en paralelo y la otra es una mayor inmunidad al latching.

En este tipo de transistor los fabricantes tratan de eligir los mejores parámetros para cada aplicación concreta, y habrá que elegir si se desea gran velocidad, bajas pérdidas o algo intermedio.

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Latching

El último problema es que existen cuatro capas NPNP, lo que forma un tiristor, un dispositivo de conmutación con sólo dos estados, que responde a una excitación permitiendo la conducción libre, y aqui el cebado del tiristor se puede producir cuando la tensión en alguna parte interna del canal de silicio tipo P supera en algunas décimas de voltio a la tensión de algún punto externo de las fuentes.

A partir de aqui el tiristor entra en conducción y aunque en la mayoría de los IGBT actuales este fenómeno está controlado y se puede desactivar, en principio sólo se desactivará cuando se interrumpa la alimentación del transistor completo.

Visto de otra manera, se debe tener en cuenta que la fuente (N), el canal (P) y la capa epitaxial (N) forman un transistor bipolar parásito, como ya vimos en el transistor MOSFET. Ese transistor NPN parásito se foma con la siguiente relación N+(antigua fuente) ~emisor, canal P+ ~base, n(epi) ~colector. A su vez, la capa n-epi es la base de otro tranistor (el PNP del IGBT), y el colector de éste PNP ceba la base del transistor parásito.

Se formará un latch, y en principio sólo se desactivaría cuando se interrumpiese la alimentación del transistor completo.

Afortunadamente ésto se puede solucionar en la fase de diseño tratando de que la resistencia del canal sea notablemente menor que la de la resistencia de fuente, o que por geometría nunca se pueda producir el disparo.

 

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